Derivano tutte dall’invenzione del microscopio STM fatta
da Binnig e Rohrer 1982 (premi Nobel nel 1987).
In queste microscopie, una sonda è avvicinata entro pochi
Angstrom (1 Å = 0.1 nm = 10-10 m) dall’oggetto in esame e
viene mossa in modo periodico su una certa area, fino ad
ottenere una “immagine” della superficie.
La grandezza fisica che viene misurata è una corrente
elettrica (STM) o una forza (AFM, MFM) o una intensità
di radiazione (SNOM) o altre grandezze come la
temperatura
Il microscopio STM si basa sull’ effetto tunnel, che è un
effetto quantistico (non esiste corrispettivo classico):
Metallo 1
Un elettrone può passare da
un metallo ad un altro
Metallo 2 attraversando uno spazio
vuoto. Si può quindi
generare e misurare una
corrente che fluisce tra i
due metalli, anche se non
0.5 nm
sono in contatto fisico.
L’esistenza dell’ effetto tunnel fu provata sperimentalmente
da Josephson tra due metalli superconduttori separati da
una barriera di ossido isolante e da Giaver tra due metalli
normali, separati anch’essi da una barriera di ossido.
Per avere una buona risoluzione spaziale, uno dei due
metalli (la sonda) deve avere la forma di un sottile ago
(tip). Idealmente, un tip con un apice il più piccolo possibile
(un atomo) consente una risoluzione spaziale di qualche
centesimo di nm (un atomo/molecola ha un diametro di
circa 1 – 10 Å )
Esiste una relazione di
tipo esponenziale tra la
corrente che fluisce I e la
distanza z
z
Per realizzare in pratica un
microscopio STM, occorre
risolvere una serie di problemi
non banali (almeno in teoria). Uno
schema comune a tutti i
microscopi SPM è il seguente:
Sistema di avvicinamento
Sonda
Ceramica piezoelettrica
Elettronica di controllo
Il sistema di avvicinamento consente di portare la sonda in
prossimità del campione da analizzare.
L’elettronica di controllo misura la corrente che fluisce
tra sonda e superficie (nel caso di STM) o qualche altro
parametro rilevante (nel caso di altri tipi di microscopio
SPM) e agisce in modo da mantenere costante tale
parametro, inviando opportuni segnali elettrici alla
ceramica piezolettrica.
La ceramica piezoelettrica (generalmente a forma di tubo)
è il vero cuore del sistema, perché consente di effettuare
gli opportuni spostamenti nanometrici in verticale ed in
orizzontale.
• Le ceramiche piezoelettriche trasformano deformazione
meccanica in campo elettrico o viceversa
• L’ effetto piezoelettrico deriva dall’ordinamento di dipoli
elettrici all’interno di un materiale
• Per certi versi, è simile all’ ordinamento ferromagnetico
-> esiste una temperatura critica (circa 150 °C) al di sopra
della quale la ceramica perde le sue caratteristiche
piezoelettriche.
• L’ordine di grandezza è 1 V / 5 nm
Se consideriamo il caso STM, abbiamo visto che la
corrente dipende in modo esponenziale dalla distanza tipsuperficie. Se faccio muovere il tip lungo la superficie, ed
il tip incontra un gradino, la corrente aumenta
fortemente. L’elettronica di controllo avverte questo
aumento di corrente ed alza il tip fino a tornare al valore
pre-impostato, mandando l’opportuno segnale alla
ceramica piezoelettrica. Pertanto, il valore dei segnali
inviati alla ceramica è una sorta di mappa dell’altezza
della superficie (esempio di controreazione)
Immagini ottenute con un microscopio STM: molecole di
C60 depositate su una superficie di Ag. Ogni punto
bianco è una molecola (diametro circa 0.7 nm).
Impossibile con microscopio ottico !
Con manipolazione atomica, si intende la possibilità di
disporre atomi in posizioni prederminate, allo scopo di
ottenere nuove strutture e nuovi dispositivi.
Con STM è possibile manipolare atomi o molecole
Consideriamo un atomo su una superficie:
esso subirà una forza di interazione con la superficie
(legame chimico). D’altra parte, l’atomo risente anche
dell’interazione con il tip, dovuta a forze
elettrostatiche, di Van der Waals, magnetiche …
Dato che la forza tra tip ed atomo dipende dalla
tensione applicata tra punta e superficie, mentre quella
tra atomo e superficie è indipendente da essa, è
possibile muovere atomi variando opportunamente la
tensione applicata.
In altre parole, è possibile spostare molecole usando la
punta di un STM tramite opportune variazioni della
tensione. E’ un approccio molto empirico.
In questo caso, si vuole
realizzare un “quantum
corral” , cioè una
disposizione simmetrica di
atomi in cui possono essere
evidenziate le onde
elettroniche. L’esperimento è
fatto disponendo con STM
atomi di Ag su di una
superficie di Ag.
Ogni “colonna” bianca
rappresenta 1 atomo.
Pochi anni dopo l’invenzione di STM, dallo stesso gruppo
venne l’idea di un microscopio a forza atomica AFM.
Questo si basa sull’interazione tra un tip e gli atomi di una
superficie, dovuta principalmente alle forze di Van der
Waals presenti. In questo caso, si misura la deflessione
meccanica di una sottile leva (cantilever), che termina con
un tip nanometrico.
Regione di contatto
leva deformata in su
Regione di non interazione
leva piatta
Regione di attrazione
leva deformata in giù
Tipica curva forzadistanza tra un tip
ed una superficie:
quando la punta è
molto distante, la
forza di
interazione è
piccola; vicino alla
superficie, la punta
viene attratta; ad
un certo punto,
l’interazione
cambia forma e la
punta viene
respinta.
Per misurare la
forza di
interazione, si
utilizza un
cantilever (in
genere di SiN3)
accoppiato con un
sistema di leva
ottica. Possono
essere utilizzati
anche cantilever
piezoelettrici o
altri metodi di
detezione della
deflessione.
tip
Immagine di un cantilever per microscopio AFM
Immagine al microscopio SEM del tip di un cantilever
Immagine della
superficie della
grafite vista con
AFM: ogni “collina”
rappresenta un
singolo atomo di
Carbonio.
La microscopia AFM è oggi molto utilizzata anche in
biologia
DNA
Per i docenti e gli studenti:
• Edumat, cap. 5: SEM,TEM e i microscopi a stilo
in questo capitolo ci sono svariati collegamenti, tra cui quelli alla meccanica
quantistica e all’effetto piezoelettrico
Per i docenti:
• Un sito particolarmente ricco di links è il seguente:
http://www.mwrn.com/resources/nano/spm.htm
